声阻法检测探头结构和检测方法

1.检测原理

声阻法检测又称机械阻抗法检测，它是通过测量结构件被测点振动力阻抗的变化来确定是否有异常的结构存在。力阻抗Z_m的定义为

式中 F——输入到结构的简谐力；

v——该点结构的合成速度。

测量在单一振动频率下进行，常用的频率在1～10kHz之间。

声阻法可检测出如图3.3-34的板-板胶接结构（或复合材料）件或蜂窝结构的单层或多层板的分离区域。

图3.3-34 声阻法检测的典型缺陷示意图

图3.3-35 脱粘的弹簧模型

P.Cawley用一个在弹簧顶端质量的数学模型（图3.3-35）描述声阻抗。脱粘上方的弹簧刚度是探头接触刚度与不连续刚度的串联。良好粘接结构上的弹簧刚度只是接触刚度。不连续刚度依赖于脱粘的大小与埋深。以缺陷上面由缺陷周边支撑的面板的静刚度给定，边界条件介于简支与夹紧之间。当缺陷变小或埋深增加时，弹簧刚度增加，缺陷就难以检测。阻抗还随频率变化，所以选择适当频率是获得良好的检测结果的关键。

在结构内，脱粘或分层以上的材料层可以被视为其周边被钳制的板。如果此板被激励，它就能以膜片共振的第一模态谐振。从板的振动将显示出：边界条件为周边固定的板，膜片第一模态的共振频率可给出为

式中 h——不连续的埋深（通常为蒙皮厚度）；

r——不连续的半径；

E——不连续以上材料的弹性模量；

ρ——不连续以上材料的密度；

ν——不连续以上材料的泊松比。

像电阻抗包含有电容和电感一样，机械阻抗也含有质量和柔顺性。因而，机械阻抗通常是振动频率的函数。表3.3-16列出了两种机电类比的对应关系，便于在数学计算中应用。

表3.3-16 两种机电类比的对应关系

2.检测方法

如图3.3-36所示，换能器由发射压电晶片和接收压电晶片组成，施加正弦的驱动电压于发射晶片。当换能器在自由空间未与被测件接触时，由于整个接收晶片与发射晶片刚性接触，接收晶片与发射晶片的运动一致。此时，接收晶片上无应变存在，因而没有输出。检测时，换能器垂直置于被测结构的表面，换能器触头与结构表面干接触，接收晶片的下表面声阻，形成应变，从而产生输出。声阻阻抗的大小由结构件被测点的局部刚度和质量决定。用仪器显示接收晶片接收到的信号的幅度和发送信号与接收信号的相位差，即可测得该测量点是否有缺陷存在。

（1）接触刚度声阻法检测缺陷的可能性取决于换能器在优区上等效接触刚度与不连续（缺陷）区上等效接触刚度的差。如上所述，等效接触刚度又是实际接触点的刚度与结构刚度的串联（见图3.3-35）。因而，倘若换能器与待测结构之间接触力不稳定，必然引起等效刚度的变化，从而也会引起测量阻抗的变化。表3.3-17示出了不同压力下几种不同材料的接触刚度。

图3.3-36 声阻法检测探头（换能器）结构

表3.3-17 几种不同材料的接触刚度

为了使接触刚度尽可能保持恒定，声阻仪多采用弹簧加载，以使压力保持不变。

缺陷刚度的计算按照缺陷以上层板的边界条件来定。若缺陷以上为边界钳紧的板，在频率明显低于板的第一共振（薄膜谐振）频率时（参见式（3.3-38）），缺陷区板的中心刚度K_d由下式给出：

K_d=64D/d² （3.3-39）

式中 d——板缺陷部分的直径；

D——Eh³/[12（1-ν²）]，此处，E为弹性模量，h为板厚，ν为泊松比。

表3.3-18列出了铝胶接结构中，不同缺陷的刚度。

表3.3-18 铝胶接结构中不同缺陷的刚度

（2）检测灵敏度如果用ΔdB表示阻抗的变化量，则有

式中 r——缺陷半径；

N——一系数，。

式（3.3-40）为缺陷的灵敏度计算提供了依据。从式（3.3-40）中不难看出，检测的灵敏度是与缺陷半径的平方（面积）成正比，而与缺陷埋深的立方成反比。

在实际检测应用中，通常利用换能器将这种阻抗变化转换成相应的电压信号。因此，只要给被测件一个有效的激励信号，根据接收电压信号的大小、相位和谐振频率的变化就可以确定胶粘层的质量状态。检测灵敏度的确定则与其阻抗的变化有关，据此可知能检测出最小缺陷的灵敏度是与缺陷的埋深（即胶接结构的上板厚度）有关的。图3.3-37示出了铝胶结构中，最小检测缺陷与深度的关系曲线。

3.检测设备

（1）探头结构声阻法检测用探头如图3.3-36所示。

1）压力块由黄铜材料制成，它的作用是使发射晶片两面都有负载，从而提高发射晶片发射声波的能力，同时使整个探头有一定的自重，利于激发弯曲振动。

图3.3-37 铝胶接结构中，最小检测缺陷直径d与缺陷埋深h的关系曲线

2）发射晶片是利用压电陶瓷的逆压电效应，在发射晶片的两极平面上加交变电压，使其产生相应频率的振动的。发射晶片的选择，主要应满足以下几个方面的要求：①厚向机电耦合系数K_t大，以提高机电转换效率；②压电陶瓷本身内耗小，即损耗角正切tanδ小；③机械品质因子Q_m大；④厚向共振基频接近工作频率（f_t≈f_w），以提高激励效率。在实际工作中，厚向共振基频离工件频率是比较远的。只能在满足前几条的情况下，尽可能考虑这一点。(www.xing528.com)

常用的是锆钛酸铅发射型（PZT—4）压电陶瓷晶片。

常用压电材料的性能见表3.3-19。

表3.3-19 各种压电材料的性能①

①随着组成成分和处理过程的轻微变化，陶瓷材料的性能会有所改变，所以表中列出的数值不可能十分准确。

3）传声柱由有机玻璃制成，作用是将发射晶片产生的振动传递到工件。它的形状决定了振动能传递的效率和聚能作用。

4）接收压电晶片用来将工件的机械振动能转换为电能，并以电压信号的方式输出。由于接收晶片直接反映被测工件的阻抗变化，因此对检测灵敏度有很大的影响，选择时主要应满足以下几方面的要求：①厚向机电耦合系数k_t大；②频带宽，即要求Q_m小；③固有共振频率离工件频率远，即f_i＞＞f_w。

接收晶片通常采用钛酸铅接收型（PZT-5）压电陶瓷。

5）触头加在接收晶片下端，直接与被测工件接触，它的作用为：①把由发射晶片产生的机械振动传给工件，激发工件做弯曲振动；②把被测工件的机械阻抗转移为换能器晶片的负载阻抗；③保护接收晶片。

触头的主要要求是：①质量小，即所选材料密度小；②尽可能设计成体积较小的形状；③刚度和硬度大；④耐磨。

此外，在接收晶片和发射晶片之间应有铜箔屏蔽层，以消除发射晶片和接收晶片之间的电磁干扰。

（2）探头测试声阻检测探头在使用前至少应进行频响和检测性能的测试。

1）探头频响特性曲线的测试。测试线路如图3.3-38所示。检测步骤列于表3.3-20。

图3.3-38 探头频响特性曲线的测试线路框图

表3.3-20 探头频响特性曲线测试

典型频响特性曲线如图3.3-39所示。

图3.3-39 探头的频响特性

2）探头检测性能测试。测试线路框图同图3.3-38。检测步骤见表3.3-21。

表3.3-21 探头检测性能测试

探头的检测特性曲线示意图如图3.3-40所示。

图3.3-40 探头检测特性曲线示意图

（3）仪器构成常用声阻检测仪由振荡器、放大器、报警器及电源四部分组成，其电路框图如图3.3-41所示。

图3.3-41 声阻仪电路框图

智能检测声阻仪框图如图3.3-42所示。

4.声阻检测仪的应用

声阻检测技术常用于航空航天产品胶接结构和复合材料结构粘接质量的检测。检测时，由于探头和被测工件表面之间不需要加液体耦合剂，尤其适用于难以维持超声波检测耦合剂的现场检测，以及某些薄蒙皮蜂窝结构件（如人造卫星通信设备结构件）的检测，因为蒙皮往往可能会有透水性，规定不能用耦合剂。

常用声阻仪的检测范围及其检测灵敏度见表3.3-22。

图3.3-42 ZJJ-1智能声阻仪框图

表3.3-22 声阻仪可检测范围及其灵敏度

常用的几种不用耦合剂检测胶接结构件和复术比较见表3.3-23。合材料结构件脱粘与分层等缺陷的低频声检测技

表3.3-23 几种低频声检测技术的性能比较

（续）

5.标准试块

声阻检测中缺陷阻抗值的计算很烦琐，而且不同结构和不同粘结剂存在很大差异。所以，通常制作带人工缺陷标准样件，用以调准仪器和作为判伤的依据。一种通用的标准试块如图3.3-43所示。标准试块的结构参数（如蒙皮、垫板、蜂窝夹芯的材料和规格等）一般应与被测结构相同；所用的粘结剂也应与被测结构所用的牌号相同，在条件不具备时至少应使用相同类型的粘结剂。标准试块的制作和鉴定方法可按航空工业标准HB6462—1990《金属蜂窝胶接结构声振检测标准试块》实施。

图3.3-43 通用标准试块图

1—蒙皮 2—粘结剂 3—垫板 4—蜂窝夹芯 5—第二层缺陷 6—盖板 7—定位孔 8—第三层缺陷 9—第一层缺陷 10—胶带 11—橡皮泥